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High Capacity Garnet-Based All-Solid-State Lithium Batteries: Fabrication and 3D-Microstructure Resolved Modeling

Finsterbusch, Martin und Danner, Timo und Tsai, Chih-Long und Uhlenbruck, Sven und Latz, Arnulf und Guillon, Olivier (2018) High Capacity Garnet-Based All-Solid-State Lithium Batteries: Fabrication and 3D-Microstructure Resolved Modeling. ACS Applied Materials and Interfaces (10), Seiten 22329-22339. American Chemical society (ACS). doi: 10.1021/acsami.8b06705. ISSN 1944-8244.

Dieses Archiv kann nicht den Volltext zur Verfügung stellen.

Offizielle URL: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.8b06705

Kurzfassung

The development of high-capacity, high-performance all-solidstate batteries requires the specific design and optimization of its components, especially on the positive electrode side. For the first time, we were able to produce a completely inorganic mixed positive electrode consisting only of LiCoO2 and Ta-substituted Li7La3Zr2O12 (LLZ:Ta) without the use of additional sintering aids or conducting additives, which has a high theoretical capacity density of 1 mAh/cm2. A true all-solid-state cell composed of a Li metal negative electrode, a LLZ:Ta garnet electrolyte, and a 25e-6 m thick LLZ:Ta + LiCoO2 mixed positive electrode was manufactured and characterized. The cell shows 81% utilization of theoretical capacity upon discharging at elevated temperatures and rather high discharge rates of 0.1 mA (0.1 C). However, even though the room temperature performance is also among the highest reported so far for similar cells, it still falls far short of the theoretical values. Therefore, a 3D reconstruction of the manufactured mixed positive electrode was used for the first time as input for microstructure-resolved continuum simulations. The simulations are able to reproduce the electrochemical behavior at elevated temperature favorably, however fail completely to predict the performance loss at room temperature. Extensive parameter studies were performed to identify the limiting processes, and as a result, interface phenomena occurring at the cathode active material/solid−electrolyte interface were found to be the most probable cause for the low performance at room temperature. Furthermore, the simulations are used for a sound estimation of the optimization potential that can be realized with this type of cell, which provides important guidelines for future oxide based all-solid-state battery research and fabrication.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/124643/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:High Capacity Garnet-Based All-Solid-State Lithium Batteries: Fabrication and 3D-Microstructure Resolved Modeling
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Finsterbusch, MartinFZJ Jülichhttps://orcid.org/0000-0001-7027-7636NICHT SPEZIFIZIERT
Danner, TimoTimo.Danner (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0003-2336-6059NICHT SPEZIFIZIERT
Tsai, Chih-LongFZJ JülichNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Uhlenbruck, SvenFZJ JülichNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Latz, Arnulfarnulf.latz (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Guillon, OlivierFZJ JülichNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:11 Juni 2018
Erschienen in:ACS Applied Materials and Interfaces
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Nein
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
DOI:10.1021/acsami.8b06705
Seitenbereich:Seiten 22329-22339
Verlag:American Chemical society (ACS)
ISSN:1944-8244
Status:veröffentlicht
Stichwörter:all-solid-state, ceramic, Li battery, microstructure, modeling, continuum
HGF - Forschungsbereich:Energie
HGF - Programm:Speicher und vernetzte Infrastrukturen
HGF - Programmthema:Elektrochemische Energiespeicher
DLR - Schwerpunkt:Energie
DLR - Forschungsgebiet:E SP - Energiespeicher
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):E - Elektrochemische Prozesse (Batterien) (alt)
Standort: Stuttgart
Institute & Einrichtungen:Institut für Technische Thermodynamik > Computergestützte Elektrochemie
Hinterlegt von: Danner, Timo
Hinterlegt am:20 Dez 2018 14:11
Letzte Änderung:20 Dez 2018 14:11

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